浅谈临床生物信息学在临床医学教育中的作用及初步实践

生物信息学是一门整合计算机科学及生命科学的交叉学科,已有30余年历史,但仍方兴未艾。21世纪以来,生物医学已逐渐进入大数据时代,海量的以测序为代表的基因组、转录组、蛋白质组数据将为深刻揭示人类疾病发生机制及寻找治疗药物提供了前所未有的契机。目前,在临床医学研究及教学中,生物信息学方法及应用尚未得到足够重视。作者结合临床生物信息学发展现状及未来趋势,探讨了临床生物信息学学科在临床医学教学及转化研究中的作用。     

基因表达谱的生物信息学

DNA微阵列技术是继DNA重组技术、PCR扩增技术之后的又一重大生物技术。基于微阵列实验 ,可以同时观察在某一生命现象中成千上万个基因的动态表达水平。与过去的研究模式即单个基因的表达研究相比 ,分子生物学工作者的观念将由此发生巨大改变 ,使得人们能够在基因组水平上以系统的、全局的观念去研究生命现象及其本质。目前 ,微阵列技术已应用到肿瘤分型、肿瘤分类、基因功能研究、基因之间调控网络构建、药物靶位识别等许多方面 ,但是 ,从本质上讲 ,通过微阵列实验所直接获得的是一个基因表达谱 (即基因表达矩阵 ,其行表示基因 ,列表示实验样本 ) ,微阵列的实际应用就是通过对基因表达矩阵的生物信息学处理来实现的 ,因此 ,在由微阵列技术为基础的分子生物学研究中 ,生物信息学是其中及其重要的一环 ,本文就与基因表达谱相关的生物信息学方法作一综述     

利用SFU开发Windows和Linux异构环境下的分布式生物信息学应用

Microsoft SFU是一个Windows环境下的高性能UNIX子系统和互操作工具，它允许Windows和UNIX计算机共享数据、安全策略和应用程序。本文通过实例，介绍如何利用SFU将Linux下的Blat软件在Windows系统中重新编译运行，并与Linux计算机共享生物序列数据库，构建异构网络环境下的分布式生物信息学应用。实践证明该技术可集成Windows和Linux的计算能力，提高计算资源的使用效率。     

转化生物信息学发展的路径分析

DNA和RNA测序、基因芯片、高通量的蛋白质组学和代谢组学技术的普遍使用,需要新方法来把这些新型数据转化成新信息,然后把新信息转化成新知识。随着生物医学信息学和转化医学的快速发展,生物医学信息学逐渐成为转化医学跨学科、跨领域团队信息沟通和知识转化的重要基础,两学科出现了交叉融合趋势。在此背景下,转化生物信息学应运而生。作者就转化生物信息学学科发展历史、定义及主要研究内容和热点进行论述。     

肿瘤生物信息学：系统临床医学的新手段

肿瘤是临床上患者死亡最常见的原因,其诊断、治疗和预后情况取决于肿瘤的严重程度、病程、部位、对药物治疗的敏感性和耐药性、细胞的分化和起源以及对其病理过程了解程度的差异等多种因素。鉴于基因与蛋白质之间的联系和网络在肿瘤分子机制的研究中起重要作用,在肿瘤研究中引入了＂系统临床医学＂这个全新概念。肿瘤生物信息学根据疾病代谢、信号通路、信息交流以及增殖的特异性,将生物信息学方法应用于肿瘤研究,这种新兴的手段不仅是肿瘤系统临床医学的一个重要部分,而且是系统临床医学中进行肿瘤相关研究的核心手段,是改善肿瘤患者预后的一种最关键和最有效的方法。     

基于生物信息学分析ADD3在弥漫性大B细胞淋巴瘤中的表达及临床意义

目的基于数据库分析ADD3基因在弥漫性大B细胞淋巴瘤（Diffuse Large B Cell Lymphoma,DLBCL）中的表达情况及临床意义。方法基于Oncomine数据库进行荟萃分析,筛选出在DLBCL中的差异表达基因ADD3,并进一步分析其在mRNA及DNA水平上的表达差异,从GEO数据库下载含有DLBCL患者信息的数据集,对ADD3的表达量与患者的预后进行生存分析,并进一步对年龄、性别等亚组进行分析。利用GEPIA2在线分析工具对DLBCL样本中ADD3与c-Myc、Blc2、P53等基因进行相关性分析,通过癌症基因图谱数据库分析网站（UALCAN）对ADD3在DLBCL患者中的表达进行验证分析,DLBCL中ADD3在性别、年龄、种族、疾病阶段等不同亚组的表达量进一步进行验证分析。结果ADD3在荟萃分析中位于显著低表达基因的104位,生存分析显示ADD3的表达量与患者的生存预后显著正相关,相关性研究显示ADD3与Bcl2、c-Myc、P53等基因呈现弱相关性,亚组分析显示ADD3的表达量与性别、种族等因素无关,21~40岁年龄组表达量均高于41~60岁、61~80岁、81~100岁年龄组,对年龄亚组进一步进行生存分析,结果显示ADD3低表达组预后更差,与先前的分析结果一致。结论ADD3在DLBCL中低表达,且与患者预后呈现显著正相关性,有望作为DLBCL的独立预后标志物,为治疗和DLBCL提供参考靶点。     

人miRNA-埃博拉病毒相互作用的生物信息学研究

目的：初步探讨人微小RNA（ miRNA）与埃博拉病毒基因组5′尾标（ trailer）序列相互作用,为防治埃博拉病毒提供可能的靶向miRNA。方法运用Pita和RNAhybrid软件预测与埃博拉病毒5′尾标序列相互作用的人miRNA,并对其进行注释和分析。结果与结论发现人miRNA可能与埃博拉病毒5′尾标序列存在复杂的相互作用。根据以前关于宿主miRNA与病毒基因组相互作用的报道,我们认为,人miRNA与埃博拉病毒基因组5′尾标的相互作用可能会影响埃博拉病毒在人体内的复制以及人体细胞的正常功能。该研究将为埃博拉病毒的防治提供新的思考。     

IL-6与上皮性卵巢癌分期进展关系及其作用机制的生物信息学分析

目的探讨白细胞介素-6（interleukin-6,IL-6）表达水平在上皮性卵巢癌（epithelial ovarian cancer,EOC）中的临床价值,并基于生物信息学预测IL-6对EOC发生、发展的潜在机制。方法ELISA法检测21例不同国际妇产科联盟（International Federation of Gynecology and Obstetrics,FIGO）手术-病理分期的EOC患者、12例良性卵巢疾病患者和30例健康体检妇女的血清IL-6水平。从公共基因表达（gene expression omnibus,GEO）数据库和癌症基因组图谱（the cancer genome atlas,TCGA）数据库收集共计897例EOC组织样本的基因表达谱,根据IL-6高低表达分组筛选差异基因,进行GO和KEGG通路富集分析。绘制IL-6相关基因所编码蛋白的相互作用网络图,提取IL-6所在的核心网络模块。结果血清IL-6在EOC患者的水平显著高于正常对照组（P=0.031）,与FIGO Ⅰ~Ⅳ期呈正相关（r=0.79,P=0.002）;基于TCGA数据库挖掘的IL-6基因表达水平在发生脉管浸润时上调（P=0.027）,且随FIGO Ⅰ~Ⅲ依次升高;从4个卵巢癌数据集筛选出199个共同差异基因,富集于细胞外基质重塑、细胞粘附、炎性反应、病原体免疫识别等功能和相应的信号通路;初步鉴定出CCL2、PTPRC、CD163可能为IL-6在EOC中发挥作用的关键分子。结论血清IL-6可为EOC的复发和转移提供实验室证据,生物信息学分析提示IL-6相关基因主要与EOC的侵袭和转移等生物学特性有关,IL-6用于评估病情进展的具有临床意义。     

应用生物信息学确定结直肠癌辐射抗性细胞的差异表达基因

目的基于生物信息学的方法,筛选结直肠癌辐射抗性细胞中的差异表达基因,从分子水平上初步探讨与结直肠癌抗辐射相关的潜在基因。方法从基因芯片公共数据库（GEO）中下载耐辐射的结直肠癌细胞基因表达谱数据（GSE43206）,并利用R语言中的limma包进行差异基因筛选。对差异基因中的编码基因分别进行基因本体论（GO）富集分析、京都基因和基因组百科全书（KEGG）通路分析以及蛋白相互作用（PPI）分析,进一步筛选出PPI网络中的关键基因。通过实时荧光定量PCR实验确定5 Gy γ射线照射后人结肠癌HCT116细胞中关键基因的mRNA相对表达水平。采用Student t-test检验进行统计学分析,P < 0.05表示差异有统计学意义。结果共筛选出101个差异基因,包含67个上调基因,34个下调基因。GO富集分析发现这些差异基因在细胞迁移、DNA复制等生物学过程中富集。KEGG通路分析证实这些差异基因主要富集在乏氧诱导因子1信号通路。通过构建PPI网络,筛选出NDRG1、PAG1、LRP1、PIM1、LDLR和PLAUR共6个与结直肠癌抗辐射相关的潜在基因。实时荧光定量PCR实验结果显示,与照射前比较,照射后人结肠癌HCT116细胞中NDRG1、PAG1、LRP1、PIM1、LDLR和NDRG1、PAG1、LRP1、PIM1、LDLR关键基因的mRNA表达量显著上升,差异均有统计学意义（t=49.981,P < 0.01;t=26.420、28.698、21.358、23.545,均P < 0.05;t=50.601,P < 0.01）。结论利用生物信息学能够快速地筛选出与结直肠癌抗辐射相关的潜在基因,且潜在基因在结直肠癌HCT116细胞中差异表达。     

运动对糖尿病小鼠骨骼肌基因表达影响的生物信息学分析

目的:探讨运动对链脲佐霉素诱导的糖尿病小鼠骨骼肌基因表达谱的影响及其生物代谢过程变化。方法:从GEO数据库下载Lehti等提交的小鼠骨骼肌基因芯片数据,应用生物信息学方法筛选差异表达基因,并对这些差异表达基因的基因本体(GO)和日本京都基因和基因组百科全书代谢通路数据库(KEGG)的注释进行功能富集分析。结果:与糖尿病非运动组小鼠相比,糖尿病运动组小鼠骨骼肌存在253个差异表达基因,这些基因主要富集于三条KEGG代谢通路和三个基因本体生物过程,代谢通路包括粘着斑通路、细胞外基质受体交互通路和细胞通讯;基因本体生物过程包括己糖代谢过程、单糖代谢过程和细胞成熟。结果提示运动影响糖尿病小鼠骨骼肌的粘着斑通路、细胞外基质受体交互通路和细胞通讯三条通路,从而改善糖代谢过程。     

利用Galaxy与高性能计算集群构建本地化一站式生物信息学平台

目的构建本地化的高性能一站式数据分析平台,为生物医学研究的相关科研人员提供便捷高效的计算分析服务。方法将Galaxy软件部署在计算集群上,集成工具软件和数据集;利用分布式资源管理应用接口（DRMAA）实现与SunGridEngine的协同运作,自动调度和分配计算资源;并在集群上构建稳定的weh服务、FrP服务和管理数据库。结果该平台已投入试运行并在不断完善,峰值计算能力达到每秒lO万亿次,存储容量为40TB,提供序列比对、短串映射、基因注释、转录组分析、宏基因组分析及进化分析等多种功能,以及容量约为700GB的人类基因组、病毒、细菌、真菌等参考数据库。结论该平台具备大规模数据分析的能力,能够解决高通量测序所带来的海量生物数据的存储与处理等问题。与在普通服务器上进行数据分析相比,该平台的计算集群能极大地加快数据处理过程,提高研究效率。     

生物信息学分析影响胶质母细胞瘤生物学行为的关键基因

 

目的 应用生物信息学方法分析与胶质母细胞瘤(glioblastoma,GBM)生物学行为密切相关的关键(HUB)基因。方法 在基因表达综合数据库(gene expression omnibus, GEO)中获取GBM相关芯片数据,并利用R语言分析GBM组织与正常脑组织之间的差异表达基因;利用GO 数据库和 KEGG数据库对差异表达基因进行功能富集和注释;利用 STRING 数据库和 Cytoscape 软件构建蛋白质相互作用网络(protein-protein interaction, PPI),分析HUB基因;利用TCGA数据库分析HUB基因对胶质瘤患者预后的影响。结果 共鉴定出 628个差异表达基因,其中 87个为上调基因,541个为下调基因。生物学过程主要富集在神经递质分泌、胞外分泌的监管、化学突触传递等方面。通过不同算法的比较,最终得到19个HUB基因,HUB基因主要富集的信号通路包括逆行神经的信号通路、突触囊泡循环通路及GABA相关通路等。在HUB基因中GABRD基因表达情况与肿瘤预后显著相关。结论 DNM1、RBFOX1、GABRD等HUB基因可能在GBM的生物学过程中发挥重要作用。

     

人工智能技术在创伤救治中的应用及研究进展

创伤引起的多发伤致残率和致死率高,救治难度大但目前创伤救治的医疗模式仍然存在不足,创伤患者的救治面临巨大挑战。人工智能(AI)是基于机器学习、强化学习和深度学习等基础算法的智能技术,现已应用于创伤患者的救治工作中,其高效精准的计算机视觉、规划决策以及大数据统计分析等技术方向既提高了创伤患者救治的安全性和效率,同时也降低了临床医师的工作负荷,弥补了传统创伤救治模式的不足。笔者对AI在创伤急诊分诊、诊断、治疗及战创伤预防等方面的应用及研究进展进行综述,为AI的临床应用提供参考。     

局部序列比对算法及其并行加速研究进展

随着新一代测序技术的发展,传统的序列比对工具已无法满足测序产生的海量生物学数据分析处理的需求,研究如何利用最新的计算技术加速序列比对过程具有十分重要的意义。本文回顾了常用的局部序列比对算法,介绍了基于并行计算原理的序列比对算法的加速优化策略和主要进展,详细说明了如何利用最新的图形处理器（GPU）计算技术实现高性能的BLAST（basic local alignment search tool）比对算法。最后,结合实际需求,提出和讨论了综合利用云计算和GPU计算实现高性能、高能效的序列比对平台的研究思路。     

三氧化二砷反式激活基因AsTP2的克隆化及生物信息学分析

目的三氧化二砷反式激活靶基因(AsTP2)的克隆化研究。方法对构建的三氧化二砷差异表达的肝HepG2细胞cDNA消减文库进行筛选，利用RT-PCR技术获得新基因AstTP2的编码序列，结合生物信息学对其氨基酸序列、染色体定位和基因功能进行分析比较。结果AsTP2基因编码区为1119nt，编码产物为372aa。经核苷酸序列数据库(GenBank)和蛋白质一级结构序列数据库(SwissProt)同源序列的搜寻，发现未知功能的同源蛋白，说明克隆的AsTP2基因属于未知功能新基因，GenBank注册号为AY744366。该基因在三氧化二砷诱导的HepG2细胞中表达上调。结论克隆了一条新的三氧化二砷反式激活靶基因AsTP2，为进一步研究三氧化二砷的反式激活作用和揭示砷致癌的生物学机制提供新线索。     

胆管癌miR-551b表达变化的临床意义及其靶基因生物信息学分析

 目的 研究胆管癌miR-551b表达变化的临床意义,并采用生物信息学方法分析其靶基因。方法 选择2014-10至2018-10在武警安徽总队医院行胆管癌根治术的78例患者作为胆管癌组,并选择同期因胆管结石行Roux-en-Y胆肠吻合术的40例患者作为对照组,检测胆管癌组织和正常胆管组织中miR-551及细胞周期素D1(cyclinD1)的表达量,随访胆管癌患者的总生存期(OS)。结果 胆管癌组织中miR-551b的表达量低于正常胆管组织且术前血清CA19-9升高、术前血清CEA升高、TNM Ⅲ期、低未分化、微血管侵犯患者胆囊癌组织中miR-551b的表达量明显低于术前血清CA19-9正常、术前血清CEA正常,TNM Ⅰ-Ⅱ期、中高分化、无微血管侵犯的患者;与miR-551b高表达的胆管癌患者比较,miR-551b低表达的胆管癌患者的总生存期明显缩短;miR-551b靶向cyclinD1基因mRNA 3'UTR的第1456-1462碱基、1479-1486碱基,胆管癌组织中cyclinD1的表达水平明显高于正常胆管组织且与miR-551b 的表达具有负相关关系;术前CA19-9、TNM分期、微血管侵犯、miR-551b及cyclinD1表达是胆管癌患者总生存期的影响因素。结论 胆管癌中miR-551表达减少与病理特征恶化、总生存期缩短相关,靶向cyclinD1是miR-551参与胆管癌发生发展的可能机制。     

GPU计算及其在生物医学研究中的应用

高性能计算是现代生物医学研究的重要工具和手段,传统的基于通用处理器（CPU）的计算机已很难满足生物医学研究对计算性能、效率和成本等多方面的综合性要求。近年来,图形处理器（GPU）计算技术异军突起,成为高性能计算领域的研究热点。本文介绍了GPU计算的基本概念、编程方法和特点,总结和讨论了GPU计算在生物医学中的应用现状和存在问题。最后,结合实际情况提出了利用GPU计算的一些研究工作设想。     

基于生物信息学分析的人ID4基因启动子表达载体的构建及鉴定

目的:基于生物信息学分析构建人ID4基因启动子表达载体,以其作为研究ID4基因启动子表达调控分析的工作基础.方法:在分析人ID4基因启动子结构和调控元件的基础上,据UCSC基因组生物信息学中人ID4基因转录起始点(TSS)上游启动子区-643 bp及5'非翻译区(5'-UTR) 164 bp序列设计并合成引物,进行PCR扩增;以PCR产物作为模板经巢式PCR扩增了TSS上游启动子区-621 bp片段,将PCR产物回收、纯化后再连接到pGEM-T Easy载体上并转化至DH5α感受态大肠杆菌中构建成pGEM-T Easy-人ID4基因启动子重组质粒.转化产物经半巢式PCR及酶切鉴定,对得到的阳性克隆进行测序.结果与结论:成功构建出含有糖皮质激素受体、cAMP结合蛋白及雌激素受体反应调控元件序列的人ID4基因启动子表达载体.该表达载体的构建为进一步研究人ID4基因的启动子活性及表达调控奠定了基础.